汪楷洋,庹先國,張 賡,李 彬,劉明哲

(1.成都理工大學地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室，四川 成都 610059；2.成都理工大學地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；3.西南科技大學，四川 綿陽 621010)

對于我國許多露天開采的老礦山來說，礦山邊坡的穩(wěn)定性對于后期礦山的施工安全有著至關(guān)重要的影響，而對于邊坡穩(wěn)定性的評估，首先應(yīng)該從地質(zhì)上來認識邊坡，傳統(tǒng)勘探方法(鉆探、槽探等)以點帶面，常帶來漏判、劃分不準確、工期周期長等缺點[1-2]。隨著地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展 ，近幾年來高密度電阻率法在對滑坡、隱伏斷層等不良地質(zhì)現(xiàn)象的勘察中已取得了良好的效果[3-7]，且相對于傳統(tǒng)物探方法而言，高密度電法具有效率高、成本低、分辨率高等特點[8]。

本次勘探的礦山為攀枝花釩鈦磁鐵礦山，已經(jīng)過近四十年的生產(chǎn)，進入深凹露天開采階段，將來最終工程邊坡高達555m，服務(wù)年限還有十五年多，為攀鋼礦業(yè)集團鐵礦主要來源之一，具有很高的經(jīng)濟價值。但近幾年礦山邊坡不穩(wěn)定的現(xiàn)象及出現(xiàn)的病害給生產(chǎn)構(gòu)成的威脅日趨嚴重，邊坡整體的穩(wěn)定性將直接影響后期施工的安全。而在邊坡穩(wěn)定性評價的過程中，詳細準確的工程地質(zhì)資料起著至關(guān)重要的作用。故現(xiàn)在對邊坡進行相關(guān)地質(zhì)勘查，從而對邊坡整體穩(wěn)定性做出分析評價，并及時跟進某些處治措施是十分必要的。但由于長年的開挖與爆破，工區(qū)地表為裸露基巖或碎石堆，這一特征會使本次勘察有別于傳統(tǒng)的高密度電法勘探。

1 地質(zhì)概況及地球物理特征

工區(qū)位于四川省攀枝花市東區(qū)蘭尖鐵礦露天采場內(nèi)，在構(gòu)造上處于康藏高原東緣，康滇地軸中段西側(cè)邊緣。礦區(qū)采用臺段式開采，到現(xiàn)在已經(jīng)行成了高約420m臺階狀的高陡邊坡。從已取得的地質(zhì)資料來看，工區(qū)內(nèi)地形受巖性及構(gòu)造控制，為構(gòu)造剝蝕地形，區(qū)域內(nèi)主要組成巖體為大理巖、角閃片巖、細粒及細粒流層狀輝長巖、粗粒輝長巖、鐵礦體等5個巖組。邊坡下盤巖體內(nèi)主要發(fā)育有兩類結(jié)構(gòu)面，即原生結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面。原生結(jié)構(gòu)面是指軟弱夾層及泥化夾層等，主要存在于輝長巖與大理巖的交界面，分析其物性特征認為它對邊坡穩(wěn)定危害極大；構(gòu)造結(jié)構(gòu)面是指斷層、構(gòu)造節(jié)理等。礦區(qū)斷層發(fā)育程度相當高，且由于礦區(qū)長年的爆破與開挖，造成的邊坡裂隙也十分發(fā)育，對邊坡穩(wěn)定性影響不容忽視。

據(jù)已有資料和一般巖土視電阻率經(jīng)驗值統(tǒng)計分析，各地質(zhì)體視電阻率值統(tǒng)計見表1。由表1可知，各地質(zhì)體間存在一定電性差異，具備開展高密度電法的地球物理條件。

表1 不同介質(zhì)電性分布情況

2 針對于基巖地表的方法改進

高密度電法的普遍應(yīng)用區(qū)域的地表一般為松散的第四系覆蓋層，野外數(shù)據(jù)采集只需將銅電極豎直插入地表并保證電極與大地接觸良好即可。但本次勘察區(qū)域由于長年受開挖與爆破施工影響，地表以裸露基巖和碎石堆為主，電極難以插入地表。因此，針對于此類地表特征，制作了一種特殊的接地輔助裝置：采用上下均有開口的桶型塑料模具，且下方開口的直徑在15cm左右，上方開口的直徑比銅電極的直徑略大即可(可選用較大塑料瓶、塑料桶，剪去下底)，在模具中填充澆灌了鹽水的濕潤泥土并壓實，測量時將裝滿土的模具直立壓緊放在測點位置，使桶中泥土與地表接觸充分，然后再插入電極，以此完成相關(guān)野外數(shù)據(jù)采集。

為了驗證該接地輔助裝置的可行性與有效性，分別用傳統(tǒng)接地裝置與輔助接地裝置布設(shè)了兩條測線，兩條測線點距與有效電極數(shù)一致，用傳統(tǒng)接地裝置布設(shè)測線的地表為松散的第四系覆蓋層，用輔助接地裝置布設(shè)測線的地表為裸露基巖，兩條測線地形均為水平且所在位置相距不足0.5m，以保證兩條測線下方的地質(zhì)情況基本一致。實驗采用了溫納、偶極、微分三種常規(guī)排列裝置進行數(shù)據(jù)采集，由于三種裝置的對比結(jié)果基本相同，本文就只例舉溫納裝置的成果對比圖(圖1)。

圖1 接地實驗測線溫納裝置成果對比圖

由圖1可以得出以下結(jié)論。①兩條測線電性剖面的高、低阻異常區(qū)域的形態(tài)大小和分布位置基本保持一致。證明了輔助接地裝置不會造成采集數(shù)據(jù)的畸變和錯誤。②在高密度電法勘探中，接地電阻過高會導致在反演剖面圖中視電阻率值偏低[9]，導致低阻異常程度被加強，而高阻異常程度被削弱。在兩條測線的0～70m段，采用傳統(tǒng)接地裝置的反演圖中接地電阻較高，而采用輔助接地裝置則有效的減小了接地電阻，且采用了輔助接地裝置的測線的20～40m段的低阻異常區(qū)域與45～70m段的高阻異常區(qū)域的異常程度都得到了有效的還原，使異常程度更趨近于真實。③該裝置可多次重復(fù)使用，且布設(shè)采集裝置快速，相對于傳統(tǒng)的接地裝置能很大程度上縮短野外布設(shè)測線的時間，提高野外工作的效率。

總的來看，本次實驗驗證了輔助接地裝置的可行性與優(yōu)越性。證明了該裝置可以投入用于現(xiàn)場高密度電法的勘察工作。

3 工作方法及技術(shù)要求

高密度電阻率法的工作原理與常規(guī)電法完全相同，可進行二維地電斷面測量，兼具剖面法和測深法的功能[2]。結(jié)合現(xiàn)場實際情況本次勘察共布設(shè)11條高密度電法測線，野外施工選擇重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A型高密度電法測量系統(tǒng)來完成野外原始數(shù)據(jù)采集工作，并根據(jù)不同裝置的實測效果[10-12]，采取溫納(α)、偶極(β)、微分(γ)三種裝置進行綜合勘察，且11條測線的數(shù)據(jù)采集均使用了輔助接地裝置輔助采集數(shù)據(jù)。高密度電法反演使用軟件為瑞典ABEM 公司的RES2DINV二維電法處理軟件。數(shù)據(jù)處理包括：壞點剔除、濾波、網(wǎng)格化以及最小二乘法二維反演，最終得到電阻率等值線斷面圖[13]。

4 成果解釋

由于礦區(qū)長年爆破施工造成的裂隙發(fā)育以及礦區(qū)磁鐵礦在整個邊坡的不均勻分布且對圍巖侵染程度不一，礦區(qū)底部部分區(qū)域有地下水出露，這些情況都將對整個物探工作的成果解釋造成一定程度的影響，因此在做最終成果解釋時，需要結(jié)合已有地質(zhì)資料(如鉆孔資料，地表勘察資料等)作出綜合解釋，才能保證最終結(jié)論的準確性與可靠性。且由于現(xiàn)場地形及施工條件的限制，本次只對于測線所在位置的淺部進行了勘察。

本次勘察共布設(shè)高密度電法測線11條，三種裝置反演成果基本一致。本文只選取異常較為典型或?qū)吰戮哂休^大意義的3條測線的溫納反演剖面圖進行分析解釋，并綜合物探成果與鉆孔、槽探等相關(guān)地質(zhì)資料推測出測線所在位置的淺部簡易地質(zhì)剖面圖。

圖2為1號測線的溫納剖面反演成果圖。1號測線位于邊坡底部，測線點距3m，長度270m，有效電極數(shù)90。

從圖2可以看出，本條測線勘探深度為35～40m，其電阻率變化范圍主要集中在0～104Ω·m。兩種裝置電阻率剖面電性分布基本一致，測線視電阻率橫向差異明顯，分布不均。測線前端48m處的有明顯低阻異常，視電阻率小于10Ω·m，但由于受現(xiàn)場開采施工影響，未能將測線前端延長以增大對異常體的勘探深度，但與原有地質(zhì)資料和地表勘察綜合來看，推測為礦區(qū)內(nèi)的Ⅰ號富水斷層，斷層傾向為NE向，傾角約80°，破碎帶影響寬度4m左右。至于其他淺部的低阻異常區(qū)域推測為含水裂隙。測線130m處深部至測線末端淺部存在一處厚度約10m的高阻薄層，結(jié)合現(xiàn)場巖性出露情況推測該高阻層應(yīng)為大理巖層，而測線160～240m處高阻層上部出現(xiàn)的薄層低阻異常應(yīng)為角閃片巖軟弱夾層(ω6)的電性反映，淺部阻值相對略高的區(qū)域應(yīng)為輝長巖體。圖3為1號測線的地質(zhì)解釋剖面圖。

圖4為2號測線的溫納剖面反演成果圖。2號測線位于邊坡上部(海拔高程1598m)平臺上，測線總長為112m，點距1m，有效電極數(shù)112。

從圖4可以看出2號測線勘探深度約為16～18m，其電阻率變化范圍主要集中在50～104Ω·m。反演剖面大部分區(qū)域為視電阻率在100～400Ω·m之間的低阻帶，由于該測線在邊坡上部，富水性差且地表裸露的基巖含鐵量較高，因此推測為受磁鐵礦侵染的輝長巖。測線有兩處高阻異常區(qū)域，其中測線尾部淺表層的高阻異常推測為干燥的碎石堆，而反演剖面12m深度以下的高阻區(qū)域推測為大理巖，并根據(jù)電性層分界線劃出了輝長巖與大理巖的交界面(圖4中黑色曲線)。圖5為2號測線的地質(zhì)解譯剖面圖。

圖6為3號測線的溫納剖面反演成果圖。3號測線位于采場底部西側(cè)，測線長342m，點距3m，有效電極數(shù)114。

從圖6可以看出測線勘探深度近60m，其電阻率變化范圍主要集中在0～103Ω·m。在測線的150～190m處存在一條明顯的近垂直條帶狀低阻異常帶，視電阻率<20Ω·m，且異常體延伸至剖面底部，破壞了原有電性層的連續(xù)性，推測為礦區(qū)內(nèi)的II號富水斷層，斷層傾向近NE，傾角近垂直約80～90°，破碎帶影響寬度近30m，為礦區(qū)內(nèi)的最大規(guī)模斷層之一，對于邊坡穩(wěn)定性有著極大的影響。近地表的低阻區(qū)域推測為含水裂隙。其他區(qū)域的視電阻率比較均勻一致，最高視電阻率低于1000Ω·m，推測為輝長巖。圖7為3號測線的地質(zhì)解釋剖面圖。

此外，對其他8條測線也做了同樣的分析解釋，并通過與相關(guān)鉆孔等地質(zhì)資料的相互驗證。共查明了礦區(qū)內(nèi)7條隱伏斷層、1處軟弱層(ω6)、1處輝長巖與大理巖的巖性交界面的位置及其淺部的地質(zhì)特征。7條斷層均具有一定規(guī)模、富水性佳、破碎程度高；軟弱層存在于部分巖性交界面中，順坡向，易發(fā)生滑坡。這兩類構(gòu)造對邊坡的穩(wěn)定性都有著十分重大的影響。

圖2 1號測線溫納剖面反演成果圖

圖3 1號測線地質(zhì)解釋剖面圖

圖4 2號測線溫納剖面反演成果圖

圖5 2號測線地質(zhì)解譯剖面圖

圖6 3號測線溫納剖面反演成果圖

圖7 3號測線地質(zhì)解釋剖面圖

5 結(jié)論

1)高密度電法在用于本次礦山邊坡找尋斷層、軟弱層(ω6)以及巖性分層等方面均取得了較好的效果，結(jié)合地面地質(zhì)調(diào)查與已取得的地質(zhì)資料，查清了探測區(qū)域淺部的構(gòu)造異常帶、巖性分布特征，為礦山邊坡的穩(wěn)定性計算與分析評價以及后續(xù)相關(guān)治療措施提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

2)針對于基巖裸露地表設(shè)計的輔助接地裝置，在此次勘察中取得了較好的效果，其實用性和優(yōu)越性都得到驗證。可推廣用于其他類似地表條件下高密度電法或直流電法勘察(如城市公路、隧道完工段路面勘察等)。

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